Рекомбинация ионов

Ионы сталкиваются не только с молекулами газа, но и между собой. При столкновениях отрицательных и положительных ионов происходит процесс рекомбинации, в котором ионы превращаются в нейтральные атомы и молекулы. Рекомбинация уменьшает число ионов и ионизационный ток в газе. Процесс рекомбинации характеризуется коэффициентом рекомбинации α. Он численно равен вероятности рекомбинации положительного и отрицательного ионов, заключенных в 1 см³ газа, за 1 с. Коэффициент а зависит от давления газа. Для большинства газов-наполнителей значения коэффициента а заключены в пределах (1,2–1,7) 10^-6 см³ с^-1 (таблица 9.2).

Таблица 9.2 – Коэффициент рекомбинации α для некоторых газов

Газ	Воздух	Водород	Кислород	Аргон
α, 10-6 см3/с1	1,66	1,45	1,6	1,2

Распределение плотности ионов по объему детектора зависит от типа излучения и его интенсивности. Если облучать детектор высокими потоками γ -квантов, электронов и нейтронов, то скорость образования ионов по объему детектора примерно постоянна. Такую ионизацию называют объемной. При объемной ионизации скорость рекомбинации dN/dt, равная числу атомов, возникающих из ионов в единице объема за 1 с, пропорциональна произведению плотностей положительных N⁺ и отрицательных N^— ионов:

dN/dt = αN⁺N^–, (9.3)

где α – коэффициент рекомбинации.

При облучении газа тяжелыми заряженными частицами ионы в газе располагаются колонкой вдоль траектории частицы. Такую ионизацию называют колонковой. Рекомбинация ионов в колонке зависит от взаимного направления траектории частицы и электрического поля. Вероятность столкновения разноименных ионов значительно больше при одинаковых направлениях колонки и электрического поля, чем в других случаях. Поэтому наибольшая убыль ионов из колонки за счет рекомбинации происходит в случае совпадения направления колонки и электрического поля.

С увеличением угла между направлениями колонки и электрического поля скорость рекомбинации падает. Расход ионов на рекомбинацию минимален, если частица движется перпендикулярно к напряженности электрического поля. Для получения максимального ионизационного тока источники тяжелых заряженных частиц устанавливают так, чтобы колонки ионов были перпендикулярны напряженности электрического поля.

9.3 Вольт–амперная характеристика газового разряда

Газовым разрядом называют явление протекания ионизационного тока через газы Он определяется свойствами газа и излучения, приложенным к электродам напряжением и формой электродов. Вольт–амперная характеристика показывает зависимость ионизационного тока I от напряжения на электродах U при постоянной интенсивности ионизирующего излучения в газе (рисунок 9.2). При увеличении напряжения ток I сначала растет, затем в некотором интервале изменения напряжения остается почти постоянным, после чего снова возрастает.

Рисунок 9.2 – Вольт – амперная характеристика газового разряда:
а – область ионизационной камеры, б – пропорциональная область,
в – область ограниченной пропорциональности,
г – область Гейгера – Мюллера, д – область самостоятельного разряда

Сложная зависимость тока I от напряжения U связана с особенностью физических процессов, протекающих в газе при движении ионов в межэлектродном пространстве. Для понимания физической сущности процессов разобьем вольт–амперную характеристику на шесть участков. На первом участке, заключенном в интервале напряжений от нуля до U₁, ток I пропорционален напряжению U. Этот участок называют областью закона Ома. Если обозначить сопротивление газа протеканию ионизационного тока буквой R, то:

I= U/R (9.4)

В области закона Ома не все ионы, образованные в газе, достигают электродов. Часть ионов, двигаясь в газе, рекомбинирует. С увеличением напряжения растет скорость направленного движения ионов. Поэтому вероятность рекомбинации ионов уменьшается и на электроды попадает все больше и больше ионов.

В конце первого участка наблюдается отклонение от закона Ома. Хотя рекомбинация в этом интервале напряжений и оказывает влияние на газовый разряд, однако ток I уже не пропорционален напряжению U.

На втором участке напряжений, от U₁ до U₂, ионизационный ток практически постоянен, почти все ионы первичной ионизации собираются на электродах, а других источников зарядов в газе нет. Эту область вольт-амперной характеристики называют областью насыщения, а ток–током насыщения I_н. Заметим, что кривая тока в области насыщения имеет небольшой подъем. Он вызывается небольшой рекомбинацией ионов и другими второстепенными факторами.

В области насыщения ионы испытывают упругое рассеяние на молекулах газа. Кинетическая энергия, получаемая ионами от электрического поля, еще недостаточна для ионизации молекул. Однако при напряжении U> U₂ легко подвижные электроны ускоряются до такой кинетической энергии, которой хватает для ионизации молекул. Эту ионизацию в отличие от первичной называют вторичной. Электроны вторичной ионизации вместе с электронами первичной в последующих столкновениях ионизируют другие молекулы. Происходит лавинообразное размножение зарядов. В объеме газа возникает дополнительный к первичной ионизации источник зарядов. Поэтому ионизационный ток при напряжениях U>U₂ возрастает, и тем больше, чем выше напряжение.

Явление размножения зарядов в газе называют газовым усилением. Оно характеризуется коэффициентом газового усиления k, который равен отношению ионизационного тока в газе I к току насыщения I_н:

k = I/I_н. (9.5)

В токе учитывается вклад и первичной, и вторичной ионизации. Ток I_н обусловливается только первичной ионизацией. Он течет через газ в том случае, когда детектор работает в режиме насыщения.

В третьей области напряжений (U₂<U<U₃) коэффициент k зависит только от напряжения U:

k = f(U) (9.6)

С ростом напряжения коэффициент k увеличивается от 1 (U=U₂) до
10²–10⁴ (U=U₃). В третьей области ионизационный ток пропорционален току первичной ионизации I_н. Поэтому третью область называют областьюпропорциональности.

Верхняя граница третьей области зависит от значения первичной ионизации. С ростом интенсивности излучения в объеме детектора увеличивается плотность ионов, возникающих при вторичной ионизации. Электроны собираются на аноде за очень короткий промежуток времени. За этот промежуток положительные ионы, имеющие сравнительно большую массу, практически не изменяют своего положения. Находясь в межэлектродном пространстве, они экранируют электрическое поле между электродами, в результате чего напряженность Е падает. С увеличением коэффициента газового усиления возрастает экранировка электродов (индукционный эффект). В свою очередь эффект экранировки уменьшает коэффициент k и газовое усиление ослабляется. Следовательно, с увеличением первичной ионизации напряжение верхней границы третьей области пропорциональности уменьшается.

В области пропорциональности пространственный положительный заряд сравнительно невелик. Он еще не влияет на газовое усиление. Поэтому коэффициент k и не зависит от первичной ионизации. За областью пропорциональности лежит область ограниченной пропорциональности. Пространственный заряд в газе становится настолько большим, что коэффициент газового усиления в этой области зависит уже и от напряжения, и от первичной ионизации.

Начиная с напряжения U>U₄, коэффициент k возрастает настолько сильно, что величина тока становится независимой от первичной ионизации. Для возникновения газового разряда достаточно появиться в детекторе хотя бы одной ионной паре. Вторичная ионизация в пятой области определяет значение ионизационного тока. Эту область вольт–амперной характеристики называют областью Гейгера–Мюллера, или кратко областью Гейгера.

Газовый разряд во всех пяти областях несамостоятелен. Он не может протекать без внешнего воздействия. В области напряжений U>U₅ в газе начинается самостоятельный газовый разряд, возникающий без наличия излучения в детекторе. Напряженность электрического поля становится вполне достаточной, чтобы вырвать электроны из электродов. При более высоких напряжениях начинается пробой газа.

В первой и второй областях напряжений работают ионизационные камеры. Эти области напряжений объединяют вместе и называют областью ионизационной камеры. Третья область–это область пропорциональных счетчиков, пятая–счетчиков Гейгера–Мюллера. Четвертую область обычно не используют, так как в ней коэффициент газового усиления зависит от напряжения и первичной ионизации, а ионизационный ток значительно меньше, чем в области Гейгера–Мюллера.